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基于MCM和SOC方案的微惯性器件系统集成技术综述
2019-11-16  作者:欧博游戏 人气:

  摘要□-:近年来…,正在航■。空航◆“天◇◇、火器设备、高端工业等◇。范!畴的造导、统造等利-•、用需求的牵引下,微惯、性器件!的尺寸◆、质料与功耗(SWaP)目标。接续提拔,配套电途由PCB慢慢升级为ASIC。归纳工艺▲=”庞大度▼…、本钱、本能潜、力等要素◆,基于MC○“M和SoC的MEMS构造?与A:SIC编造集成计划:慢慢成■●“为目前的主流采用。先容了主流微惯性●▲!器件ME?MS构造与ASIC的MC!M&SoC编造集本钱事近况,并对各集成计划特质举行了阐发比拟。其它,对微惯性器件MEMS与ASIC编造集成的合头本事举行了总结。结果△,扼要阐发了国表里差异并瞻望了下一步进展趋向。

  合头词:微机电编造;惯性器件-▷;编造集成;专用集成、电途;多芯▽;片模组•◁;片上编造。

  近年来■,正在智”能弹药、兵法?造导导弹、眇幼卫星、无人机等切确:造导:和△,神态统造等需求的,牵引下,国内眇幼型惯性器件的精度秤谌慢慢提拔至兵法级▼,由其组成的造导/导航与统造,(Guidance Navigation and Control◁,GNC)部组件或分编造,正在消息化火器设备、航空航天、高端?工业等范畴阐述出越来越大,的用意★-。然而,受到配套印造电”途板(Printed Circuit Board,PCB)电途的影;响,其尺寸、质料与!功耗(Siz、e,Weight and P:ower,SWaP)”等目标难以进一步提拔▽●,不行填塞展现微机电编造(Micro-Electro-MechanicalSystem=-,MEMS)、一体化调和的本色便宜。因而▽,有需▪▽?要采用”基于专用集成电途(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)的编造集成计划◁,处置限度微惯性器件进展利用SWaP方面的瓶颈题目▲。

  与消费电子类微惯性器件分歧,军工或高端工业中利用的微惯性器件:多重视于本,能、牢靠性等方面的目标•△,其MEMS微构造与ASIC一般不采”用高工艺庞大度的单片集成计划,而是采用以下两种计划◁▽:一种是多芯片模块(Multichip Modul、e△,MCM)即微构造和ASIC芯片各自举行策画、流片加工与划片后,通过秤谌并列或笔直栈房、的办法安置正在同★“块基板上,利用倒装焊或金线键合的办法举行电气毗连和管脚引出;另一种是基于后道编造级芯片(System on Ch。ip▪•,SoC)的异构集成,即MEMS与ASIC各自告终或逼近告终晶圆流片后,通过晶圆级键合告终器件的编造集成★◆,然后举行划片、封装。本文要点先容了△”这两种计划正在范例微惯性产物中的利用,并对其合头…•“本事举行了总结●○。

  MCM计划▽•,重要通过金丝键线或倒装焊的办法告终MEMS构造与ASIC编造□▽!的集成●▷,与PCB计划比拟•,除了大幅改进SWaP目标以表,还能缩短信号旅途、减幼寄生电容并改进电磁障蔽功效。范例的:MCM编造集成办法如图1(a?)~(c)所示☆□。图1(a)中,MEMS和ASIC管芯通过金丝键线和/或倒装焊并列安置正在统一基板上••,基板再以倒!装焊的办法,引出信号至!封装管壳。金丝键线办法仅能起到电气毗连的用意,而倒装焊则能同时告终电气毗连与贴片固定的功用。图1(b“)和(c▷”)都可归为芯片级三维笔直办法的MCM。图1(b)计划◁?中,ASIC管芯一般置于MEMS管芯上方,引脚分散▽!正在两侧,区分通。过金丝键=,线告终与M、EMS构造和管壳焊盘的电气毗连。图1(c)为紧凑型三维笔直栈房MCM计划(也称为Chip-Scale Package,CSP),微构造通过晶圆级硅通孔本事(Thro…。ugh-Si…□“licon Via,TSV)”或玻璃通孔本事(Throug◆●;h-Glass Via,TGV)将功用电极引出,ASIC通过倒▼、装焊的办法安置至MEMS封帽表面,并告终与微构造的电气互联•…,器件尺寸包络凡是由较○?大的M▲★、EMS构造尺寸决断。其它,尚有将MEMS构造和ASIC电途只身封装后,再笔直“栈房集成的计划◇=,即堆叠封装本事(Package on Package,PoP)。

  上述MCM计划比拟而言◇,笔直类栈房计划能告终更高的集成度、更短的信号传输旅途和更幼的封装体积●,但编造集成工艺的庞大度也较高▲。

  秤谌或;笔直MCM计划及其变种编造集本钱●▼“事源委多年的工程化咨议与▪▼:订正,仍旧相当,成熟,正在而今主流的高本能惯性器件中取得寻常的利用,如法国赛峰集团Colibrys公司的高本能MEMS加快率计■△、挪威Sensonor公司的高精度蝶形微陀螺以及日本Silicon Sensing公司的谐振环MEMS陀螺等产物◇•。

  法国Colibrys公司的MS系列加快率计采用的二维并列的MCM编造集成计划,拥有?幼尺寸●、高牢靠性、高本能等特质…=,正在国内工业。和军工科研范畴获取较寻常利用○。图2所示为MS9000系列加快率计器?件,其内部重要由一个别硅工艺造成的M:EMS构造、一个低功耗专用信号管理ASIC电途和一个存储储积值的微统造器等元件构。成。MEMS构造元件与ASIC并列就寝,区分通过金丝键线毗连到搀和集成基板上。这里○▪,基板不☆◁?只供▷?应了一个高强度的安置”基准面,也告终了多元“件之间以及对表的电气毗连功用。该系列产物采用LCC20(长宽均为8☆.9m?m)陶!瓷封装,质料幼于1▽◁.5g△,功耗幼于10mW,正在±2g;到±▼”250g的宽量程鸿沟内▲,均拥有幼◁:于0.05% FS的零偏牢固性,且正在-40℃~125℃温度鸿沟内▽•,全寿命•◇!周期的零!位牢固性幼于5mg。

  挪威Sensonor公司前期研造的系列蝶形高本能陀螺产物,不断采用MCM秤谌并列编造集成计划,且其简直摆设资历了多个版本的订正和优化。早期的产物IBG20和IBG21(与瑞典IMEGO咨议所团结研造)区分如图3(a)和图3(b)所示。两款产物均采用了并列就寝的组织和金丝键线。毗连的办法○,管壳。内部的腔体与键线焊盘形态均是定造的不礼貌状。此中▷,IBG20唯有一个数模搀和ASIC电途•,而IBG21的电途功用则由中央的模仿搀和信号ASIC和右侧的数字ASIC合伙告终-▼,进一步提拔了电?途噪声秤谌和陀螺本“能目。标◆。此表,IBG21能:够采用秤谌★☆;或立式两种焊接安置办法,如许!正在一个平☆▪,面上就,能够告终三、轴角速度衡量。这种特别而适用的安置办法沿用于后●!续的。SAR100、SAR150▷、SAR250等型号产”物。

  这种集成办法将MEMS构造与ASIC电途芯片笔直栈房后,通过、金丝键“线、倒装焊、TSV/TGV办法告终电气互联▷,凡是必要MEMS构造只身气密或真空封装◇,能为ASIC供应一个就寝安置面▼。

  如。图4所示-■,美国ST;公司(意▲!法半•,导体,STMicroelectronics)的三轴微加快率计LIS331D△▪?LH采用了范例的三维笔直栈房MCM办法•=。LGA16封装的尺寸仅为3mm(长)×3mm(宽)×1mm(高)○▼。

  日本Murata公司特意针对幼尺寸、低功耗工业利用需求研造了CMA3000三轴加快率计•…,如图5所示,其封装尺寸仅为2mm(长)×2mm(△?宽◁,)×1mm(高),是紧凑型三维笔,直栈房-◇;集成的代表产物○。

  日本Silicon S▼•”ensing公司的产物CMS300,采用多▪“功用集成计划○▲,正在单封装内集成了单轴陀螺和双轴加快率、计,其表观及开帽照片区分如图6(a)和图6(b)”所示•。腔体内右侧基层为ASIC电途◁,上层栈房就寝单轴环式陀螺微构造。左侧为单片双轴加快率计构造,通过金属化的TGV将信号引出至右边ASIC…□。该器件拥有优异的抗沖击振动技能与温度牢固性情=,尺寸为10.4m:m(长)X6mm(宽)X2▪▽.18mm(高)。

  国内石家庄美泰电子科技有限▽▲:公司的MSG系列MEMS陀螺和MSA系列MEMS加快率计-,其MEMS构造与ASIC部署采用了如图1(b)所示的笔直栈房办法,范例:产物MSG:9000D采用如图7所示的LCC20陶瓷封装,零偏牢固性和反复性均优于10(°)/h。从SWaP归纳来看,代表了国◁●。内高精度惯性器件;产物。的较高秤谌。

  封装级笔直栈房计划一般能为MEMS构造供应更缜密牢固的安置平面、更牢固匀称的力热处境☆▽,有利于惯?性器件抵达更优的精度秤谌和历久牢固性。采用这种计划的有挪威Sensonor公司的SAR500蝶形陀螺、Colibrys公司的SF系列加快率计等产”物。

  据文件报”道☆-,挪威Senson、or公司正在研的新代陀螺SAR500,正在量程±500(☆…,°)/s:的前提下★•,预期角!度随机游“走(Angul“ar: Random Walk,ARW)能抵?达0□.002(°)/√h,零偏反复!性优于0◆▲.1(°!)/h。如图8所示○,ME;MS构■:造采用了常见的16引脚陶瓷管壳封装,但特别之处正在于◁,该管壳中央为通透性空腔,MEMS”构造通过冗余性上下对称键线毗连至管壳引线焊盘后-,再采用灌封胶举行支持固定。模仿ASIC芯片则采用了底部带圆柱状金属热浸的32引脚陶瓷管壳。封装后的MEMS管壳再通过焊接手法▷•,笔直栈房于ASIC管壳上面•△。这种特别的PoP摆设不只最大水准地缩短了MEMS构造与ASIC之间的引线,也明显消浸了ASIC任务时的温升对MEMS构造温度场分散的影响☆。

  Colibrys公司的SF2000系列加快率计也采用了相同?的PoP集成计划。如图9所示,MEMS表头构造采用LCC28陶瓷管壳;封装:后,直接栈房焊接安置于专用搀和信号A•▪。SIC上面组成MCM模组。该产物策•▪。画用于地动勘测▲,噪声等第低至0■.3μg/√Hz●,伶俐度温、度系数、范例值为,l.2×=。10-4/℃。

  把MEMS构造和ASIC区分就寝于统一壳体的上下双腔中,是PoP封、装计划的变种,适合于器件对力热处境牢固性请求较高▽,且敏锐构造受器件预期本能目标“的策画拘束▷,长宽尺寸难以★“消浸的景况。

  日本Silicon Sensing公司的CRG20谐振环陀螺,尺寸为9.5mm(长)×9.0mm(宽)×3▼….7mm(◆△、高),采用了上下◁。双腔的MCM变种计划,其产物照片和编造集成框图区分如图10和图11所示◁。上侧腔”体中,重要有以:3mm直径硅谐振环为敏锐质料的MEMS构造,以及栈房就寝正在敏锐构,造四角的4只前置放大ASIC☆-。这些前置放大ASIC与构造的近间隔组织有帮于将引线寄生电容压到最低▼。搀和信号管理AISC和统造器就寝鄙人侧腔体中,用胶体灌。封。该产物的编造集成正?在功用模块划分、物理空△•:间组织▪、电气“与机==、器毗连…△、力热处境•◆“影响统造等方面◁•、均拥有较高秤谌。

  与前述的MCM和一般的单片集成计划分歧,基于SoC的异构搀和集成是正在MEMS晶圆与ASIC晶圆区分流片加工后,欧博游戏再通过晶圆级键-○”合告终器件互联和集成封装的。目前▪,这种集“成计划正在高、本。能惯性顶用;的较少,但代表了异日本事进展趋向•,正在此举▷、行扼要先☆,容▽。

  直接键合异构搀和集成工艺流程示意如图12(a)~(c)所示。第一步,区分加工单晶硅MEMS敏锐构造(含侧盖帽)和基于CMOS工艺的ASIC晶圆;第二步◇,晶圆瞄准、共晶键合;第三步▽○,划切呈现器◇●“件,焊盘、和告终裂片。

  美国InvenSense公司(2016年度被日本TDK收购)采用此计划出产的IDG2030U双轴陀螺仪,其LGA封装尺寸仅为2.3mm(长)★;×2□….3mm(宽)…◇”×0●.65mm(;高)。

  正在国内,无锡敏芯微电子联手中芯国际正在2015岁首合伙发布推出了当时环球最幼封装尺寸的三轴加快率计MSA330。该加快率,计★。基于■□“TSV和WLP本事,将三轴加快率敏锐构造与CMOS ASIC笔直整合,变成一个独立的1▪.075mm(!长。)×1☆.075mm(宽)×0.60m”m(☆•;高)“的单芯▷?片编造○▽,封装。

  安微北方芯动•、联科…;微编造本。事有限公司团队,提出了基于Si导电柱的笔直单片集成微封装计划。

  基于SOI片的异构集成计划先采用粘附过渡层举行晶圆键合◆,然后举行打孔互联△。与直接键合异构集成计划比拟,因为●-“是采用粘附层键合且正在键合后再打互联通孔,对晶圆的平面度和瞄准请求都不高。采用这种编造集成办法的微惯性器件有美国mCube公司的MC3XXX系列三轴加快率计其代表型号MC3635采用LGA-10封装•,尺寸仅为“1.6mm;(长)×、1.6mm(,宽)×0.94mm(高),平常,任务电流为2●•.8μA@100Hz●▷。

  微惯。性器●☆”件分歧。于压力、流体、红表等M、EMS传○★。感器,其本能除了对微构造加工精度、电途噪声等这些共性要素。敏锐表,也会▼▪”明显受到安置基准蠕变…、温度应力、处境振动沖击等编造集成封装方面的影响。基于MCM和SoC计划的硅微惯性编造集成涉及一体化集成计划策画与仿真阐发…□、电途模块化与○、互联、机器☆“互联性情阐发与统造、器件级封!装○、力热•-,处境差错修模与储积等合头◁”本事。

  依据微惯性器件的本能目标请求与利用特质,将MEMS微构造的资料性情=•、构造特质、几何尺寸、力热处!境敏锐性情与ASIC○!的”功用性情、电气目标、电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibi◁-?lity,EMC)秤谌等举行一体化最优集成策画,告终了功用协同与分拨•◇、多场耦合模仿仿真阐发=、机电参!数纠合优化、编造差错分析与抑低等倾向◁。

  勾结微构造的电气特质参数,如构造电容、谐振频率等•★,采用合理模块化的ASIC电途告终;前置薄弱信号“检测、信号变换与管理、分散参数优化与噪声抑低、与表部通讯等系列功用,使M。EMS微构造的策画■!性情得以填塞展现乃至取得进一步巩固○。

  针对MEMS与AS,IC粘接或共晶贴片、倒装焊◇、TSV/△•”TGV■、灌封等内部机器互联与固定办法△,举行资料,性情摸底▷、应力!変化机理阐发与测定,并应用多级过渡隔断或复合储积等门径★,消浸应力对器件历久牢固性的影响。

  微陀螺一般请求能历久维系牢固的高真空度,这是其平常任务并告终高本能的首要合键▲。目前○•,国内常用的器件级真空封装计划重要征求吸气剂造备与激活、腔体气压历久牢固性维系等合连本事。

  正在振动挫折;等力学处境以及宽温区大温、变热处境下,微惯性器件的本能目标往往会吃紧退化。举行力热处境下器件;零位、噪声及历久牢固性的蜕☆=!变机理阐发、辨识修模与差错储积,是告终其高本能的”首要合键。

  1)依据合连文件报道,国内发展了微惯性器件咨议的代表性?高校样机仍采用PCB或“分立ASIC的形态•,与海表存正在较明显的?差异▽•。这重要是因为国内惯性与微电子学科和行业调和度不高,企业-▷、咨议院所体系机造“导致产学研勾结不周密,国内微封装中枢资料及工艺秤谌有限等要。素导致。

  2)国内已告终MCM和SoC的高集成度器件研造的企业和科研院所,正在一体化高集成度计划策画阐发=、模块化低噪◆;声ASI▽□;C研造、晶圆级封:装、力热处境影响机理阐发与修、模储积等方面▲◆,与海表仍有必定差异。

  3)▽”动作,后道总成合键,基于MCM和SoC计划将MEMS微构造与ASIC编造集成…,提拔SWaP、精度秤谌、力热处,境牢靠性-、全人命周期”牢固性•!等目标,阐述出微机电一体化器件的本色上风○,是国内军工和高端工业用微惯性器件进展的必由之途,也是提拔▪?逐=▪;鹿力•◁,进一步△;开采航。空航天、火器设备”等高价格市集;确当务之急○。

  4)跟着近几年微惯性衡量组?合、Micro-PNT微编造的神速进展和利用,必将对微惯性器件的SWaP提出更高请求,异构集成及变种计划希望取得陆续订正和寻常利用▽◁。返回搜狐△○,查看更多!